TEMA: PULVIMETALURGIA

PROFESOR: CESAR BASURTO CONTRERAS

MAYO 2011

PULVIMETALURGIA

• La pulvimetalurgia o metalurgia de polvos es un proceso de fabricación que, partiendo de polvos finos y tras su compactación para darles una forma determinada (compactado), se calientan en atmósfera controlada (sinterizado) para la obtención de la pieza.

• Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado de porosidad o permeabilidad.

• Algunos productos típicos son rodamientos, árboles de levas, herramientas de corte, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, etc.

VARIAEDADES DEL PROCESO

• Aunque menos empleados existen 2 variedades del proceso:En una cuando se requiere aumentar la precisión dimensional, la densidad, o eliminar la porosidad superficial, la pieza se vuelve a comportar después de sinterizada.En la otra variante además de la recompactación la pieza se somete a una 2da operación de sinterizado, la cual elimina esfuerzos y suelda las partículas compactadas. En consecuencia aumenta la resistencia mecánica, se mejora las propiedades magnéticas y la estabilidad dimensional.

CAMPOS DE APLICACION• En la actualidad tiene un gran campo de aplicación como pueden ser:

1. Piezas de aleaciones de hierro, cobre, etc. para las que factores técnicos y económicos aconsejan este método por la supresión del mecanizado y el máximo aprovechamiento del metal.2. Para cojinetes autolubricantes con un 30% de poros en bronce sintetizado, estos cojinetes se impregnan de aceite o de teflón(politetracloro...).3. Pseudoaleaciones de metales con temperaturas de fusión muy dispares, como por ejemplo: cobre-wolframio, plata-wolframio, plata-molibdeno, etc. se emplean en los contactos eléctricos en la zona donde se produce la chispa de ruptura ya que en este sitio necesitamos la buena conductividad del cobre y de la plata y la buena resistencia al desgaste del wolframio o el molibdeno, de aquí la importancia de este tipo de aleaciones y hoy en la actualidad se utilizan contactos de plata endurecida con un 10% de cadmio.4. Preparación de metales pesados o pseudoaleaciones con un contenido 85-95% de wolframio, 3-10% de níquel y 2-5% de cobre. Estos materiales se caracterizan por tener una altísima densidad y se utilizan para la fabricación da giróscopos, pantallas para rayos x y rayos gamma, apantallamiento de centrales nucleares, etc.

• 5. Fabricación de filtros resistentes a los golpes y a las variaciones bruscas de temperatura por ejemplo filtros de aceite para las válvulas de inyección en los motores diesel, filtros para refrigeradores, etc... que se fabrican en metal monel (acero inoxidable y titanio).6. Preparación de carburos de wolframio, titanio, etc. y pseudo aleaciones de wolframio-acero, estos compuestos se caracterizan porque tienen una dureza elevada, buena resistencia a la abrasión, debido a su alto punto de fusión sólo se pueden fabricar por este procedimiento utilizando cierta cantidad de cobalto que actúa de cemento.7. Tratamiento de metales rebeldes a la forja o al moldeo como puede ser las aleaciones especiales de tipo álnico (20% manganeso, 63% hierro, 12% aluminio, 5% cobalto) que se utilizan mucho para imanes permanentes y para imanes sintetizados de naturaleza cerámica.

• 8. Tratamiento de metales refractarios, como wolframio, molibdeno y niobio, ya que el elevado punto de fusión hace prohibitivo el darles forma por moldeo.9. Fabricación de cermets, que son aglomeradores obtenidos por sinterización de un metal con elevado punto de fusión y óxidos muy refractarios y se utilizan para la fabricación de turborreactores.10. Para evitar las segregaciones en los aceros de alta aleación, como es el caso de los aceros rápidos que segregan bandas de carburos.11. Para la fabricación de termistores de óxido de cinc con curva de tensión-intensidad no lineal, a base de envenenar lo límites de grano con óxido de bismuto.12. Para la obtención de aleaciones oxidadas interiormente, como el aluminio con óxido de aluminio.

OBTENCIÓN DE LOS POLVOS • Generalmente se realiza de metales puros, principalmente hierro, cobre,

estaño, aluminio, níquel y titanio, aleaciones como latones, bronces, aceros y aceros inoxidables o polvos pre-aleados. Procesos típicos son:

• Atomización en estado líquido. El metal fundido se vierte a través de un embudo refractario en una cámara de atomización, haciéndole pasar a través de chorros de agua pulverizada.

• Atomización con electrodo fungible (electrólisis) Se colocan barras o láminas como ánodos en un tanque que contiene un electrolito. Se aplica corriente y tras 48 horas se obtiene en los cátodos un depósito de polvo de aproximadamente 2mm. Se retiran los cátodos y se rascan los polvos electrolíticos.

• Reducción de óxidos metálicos. Se reducen los óxidos metálicos a polvos metálicos poniéndolos en contacto gas reductor a una temperatura inferior a la de fusión.

• Pulverización mecánica. Útil en metales frágiles se muele el metal o se lima y se lleva a través de un gas, separándose el metal del gas en una corriente turbulenta dentro de un separador ciclónico.

• Condensación de vapores metálicos. Aplicable en metales que pueden hervir condensando el vapor en forma de polvo (magnesio, cadmio y cinc)

Los métodos de obtención de polvos son:

• 1. Reducción.2. Atomización.3. Métodos electrolíticos.4. Trituración.5. Pirólisis.6. Corrosión.7. Condensación.8. Amalgamación.9. Precipitación.10. A partir de chatarra.

CARACTERISTICAS DE LA MATERIA PRIMA:

• Las características de los polvos determinan las propiedades finales del componente y repercuten en las etapas de compactación y sintetizado. Por lo tanto la calidad del producto, y la economía del proceso de fabricación depende de las características de los polvos, y a su vez, las características de los distintos tipos de polvo procedentes del mismo metal dependen del método de obtención y de los tratamientos a que han sido sometidos

Las propiedades fundamentales que definen básicamente al tipo de polvo son:

• la forma.- La composición.- El tamaño del grano.- La distribución.- La porosidad.- La microestructura.

DOSIFICACIÓN Y MEZCLA• Generalmente, para obtener las características requeridas será

necesario mezclar polvos de tamaños y composiciones diferentes. Igualmente se puede añadir aditivos que actúen como lubricantes durante el compactado o aglutinantes que incrementen la resistencia del compactado crudo.

• Debido a la elevada relación área superficial/volumen esto quiere decir que cuanto más dividido esté el polvo, más área de exposición al medio ambiente posee este. La mayoría de los polvos metálicos tienden a reaccionar con el oxigeno del ambiente generando así una flama en la mayoría de los casos, además de otros como el magnesio que es explosivo, por lo que deberán manejarse con precaución, y para contenerlos (los polvos) se utilizan normalmente cuartos de ambientes controlados.

MEZCLADO

• Los distintos componentes de la materia prima son dosificados informáticamente e introducidos en el mezclador, con el fin de obtener una mezcla homogénea de todos sus componentes.

COMPACTACIÓN EN FRÍO

• El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz, resultando una forma que se conoce como pieza en verde o compactado crudo. Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en la que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica. Un inconveniente de la compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las zonas más próximas al punzón. Para obtener un compacto con mayor densidad se emplean prensas de doble émbolo.

• La Pulvimetalurgia o Metalurgia de Polvos es un proceso de fabricación de piezas a partir de polvos finos, en el cual se efectúan, una compactación para darles una forma determinada (compactado) y un calentamiento en atmósfera controlada (sinterizado). Este proceso es adecuado para la fabricación de grandes series de piezas pequeñas de gran precisión, para materiales o mezclas poco comunes y para controlar el grado de porosidad o permeabilidad. Algunos productos típicos son: rodamientos, árboles de levas, herramientas de corte, segmentos de pistones, guías de válvulas, filtros, etc.

OMPACTACION EN FRIO

Compactación en Frío. El polvo suelto se comprime mediante prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz, resultando una forma que se conoce como pieza en verde

o compactado crudo. Las prensas más utilizadas son uniaxiales, en las que la presión se aplica al polvo en una sola dirección. Mediante compactación uniaxial pueden obtenerse piezas en verde con dimensiones y acabados

precisos, obteniéndose una alta productividad en la industria mediante esta técnica. Un inconveniente de la

compactación uniaxial es la baja relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas debido al gradiente de densidad que se produce entre el centro de la pieza y las

zonas más próximas al punzón. Para obtener un compacto con mayor densidad se emplean prensas de doble émbolo.

COMPACTADO

• Se realiza en prensas automáticas a temperatura ambiente utilizando utillajes especiales, a una cadencia entre 200 a 1.000 piezas hora dependiendo de su complejidad y volumen. En esta operación el polvo metálico adquiere la forma del molde y una resistencia en verde que permite una manipulación dentro de la planta.

http://quimica.ugto.mx/revista/8/observacion_archivos/image007.jpg

PRENSAS

VARIANTES: PRENSADO ISOSTÁTICO EN

FRÍO (COLD ISOSTATIC PRESSING, CIP • Es un método de compactación que se realiza

encerrando herméticamente el polvo en moldes elásticos típicamente de goma, látex o PVC, aplicándoles presión hidrostática mediante un fluido que puede ser agua o aceite. Las piezas en verde obtenidas por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Una de las principales ventajas de este método de compactación es la alta relación longitud/diámetro que puede obtenerse en las piezas con respecto a la compactación uniaxial. Es un método muy utilizado para la compactación de piezas cerámicas.

SINTERIZADO• Consiste en el calentamiento en horno eléctrico o mufla

con atmósfera controlada a una temperatura en torno al 75% de la de fusión. En general, los hornos son continuos con tres cámaras:

• En la cámara de purga se consume el aire y se volatilizan los lubricantes y aglutinantes al tiempo que se calienta lentamente el compactado.

• En la cámara de alta temperatura se produce la unión de las partículas de compactado por difusión en estado sólido.

• En la cámara de enfriamiento se hace descender la temperatura del producto ya sinterizado. – En todo el proceso, es fundamental mantener una atmósfera

controlada para evitar la rápida oxidación de las pequeñas partículas metálicas al elevarse las temperaturas en presencia de oxígeno. Para ello, se emplean atmósferas reductoras basadas en hidrógeno, amoníaco disociado y nitrógeno.

SINTERIZADO

Variantes: Prensado isostático en

caliente (Hot Isostatic Pressing, HIP) • La compactación y el sinterizado se realizan en una única etapa

encerrando herméticamente el polvo en un recipiente flexible y exponiéndolo seguidamente a alta temperatura y presión. Los productos obtenidos por este sistema tienen propiedades uniformes e isótropas. Pueden obtenerse valores elevados de densidad en las piezas debido a la baja porosidad residual que queda en las piezas tras el proceso, con valores en muchos casos superiores al 99% de la densidad teórica del material completamente denso (sin porosidad).

• Por otro lado, también es posible, cuando desee realizarse algún mecanizado, realizar un presinterizado del compactado de forma que pueda manipularse y mecanizarse sin dificultad. Tras el sinterizado definitivo, el mecanizado posterior puede minimizarse e incluso eliminarse.

• Si el sinterizado se efectúa durante un tiempo prolongado puede eliminarse los poros y el material se hace más denso. La velocidad de sinterizado depende de la Temperatura, energía de activación, coeficiente de difusión, tamaño de las partículas originales.

OPERACIONES DE ACABADO

• Acuñado: Prensado posterior al sinterizado para reducir las tolerancias dimensionales de la pieza y obtener un mejor acabado superficial. Si la deformación plástica es masiva, se suele hablar de forja pulvimetalurgica.

• Impregnación: Para penetrar en la red porosa del material, bien con aceite, caso de los cojinetes, o bien con metal fundido cuando no se desee que el material sea poroso.

• Otras convencionales son: Tratamientos térmicos y superficiales y Mecanizado.

CALIBRADO

• Cuando las exigencias dimensionales y de acabado superficial son elevadas, las piezas sinterizadas son sometidas a la operación de calibrado, consistente en una deformación plástica, a altas presiones. El calibrado se realiza en utillajes de alta precisión que confieren a la pieza un acabado superficial superior al de las superficies rectificadas y unas tolerancias dimensionales que varían del campo IT6 al IT9, dependiendo de la resistencia, dureza y complejidad geométrica de la pieza.

VENTAJAS E INCONVENIENTES

A FAVOR EN CONTRA

No se desperdicia material.Precisión dimensional y buen

acabado.Tiempo de fabricación corto y

costos reducidos.Piezas imposibles por otros

medios: porosidad controlada, mezcla de metales y no metales (cerámicos).

Elevado costo de las matrices de compactación.

Características mecánicas inferiores debido a la porosidad del material.

Limitaciones de diseño: sección uniforme en la dirección de compactado, esbeltez limitada, etc.

VENTAJAS DE LA PULVIMETALURGIA

• Esta industria, en las últimas décadas está experimentando un creciente aumento fundamentalmente por las siguientes razones:1. La pulvimetalurgia reduce al mínimo las pérdidas de materias primas, ya que sólo se usa la cantidad de polvo necesario para alcanzar el producto final.2. Se facilita el control exacto de los límites de la composición.3. Se puede eliminar o reducir al mínimo las operaciones de mecanizado.4. Todas las operaciones son susceptibles de automatización.5. Se logran buenos acabados superficiales sin las señales propias del moldeo.6. Es la única técnica que permite lograr una porosidad controlada y una oxidación interna muy repartida apta para el endurecimiento.7. Evita las segregaciones.8. Permite la obtención de una serie de piezas muy extensa que no puede realizarse por procedimientos convencionales.

LIMITACIONES DE LA PULVIMETALURGIA:

• 1. Las piezas deben tener una forma que permita extraerlas fácilmente de la matriz, con lo cual se limita bastante las posibilidades de diseño.2. El tamaño de la pieza está limitado por la fuerza de las prensas que no suele sobrepasar las 500 toneladas.3. Las piezas obtenidas por pulvimetalurgia no pueden tener las características mecánicas que tienen las obtenidas por métodos convencionales.4. El factor económico es muy importante, debido al elevado coste de las matrices de acero aleado o de carburo de wolframio.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y

SUPERFICIALES • Las piezas

sinterizadas pueden someterse prácticamente a todas las operaciones clásicas de tratamiento, tanto térmicos como superficiales. En caso de acabados superficiales por el proceso de galvanotecnia, se deben sellar los poros con anterioridad.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

• - Carbo nitruración• - Temple• - Revenido• - Recocido en

atmosfera gaseosa• - Oxidación en vapor

de agua• - Etc.

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

• - Niquelado• - Cromado• - Zincado• - Fosfatado al

Manganeso o al Zinc• - Pavonado• - Etc.

PIEZA FINAL

• Finalmente las piezas tras pasar por los rigurosos controles de calidad, se embalan y almacenan hasta su posterior envío al cliente.

PRODUCTOS DE LA PULVIMETALURGIA

PROCESO COMPLETO

Impregnación en aceite